CN107826222B - 一种无人巡航船自动安全无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了无人巡航船自动安全无线充电系统，包括船坞，包括两倾斜设置的平行导轨、漂浮传感器、叉状连接座、T形连接座、船坞壳、连杆、引导装置以及滑动单元，引导装置设于船坞壳的周侧并发出信号，船坞壳内设有线圈，船坞通过线圈输出无线充电电压；无人巡航船，设有用于捕获信号的视觉装置；无线充电电路，接收无线充电电压，将无线充电电压转换成无人巡航船稳定供电电压或锂电池稳定充电电压；并在无人巡航船的锂电池充电时，由锂电池供电切换到无线充电船坞供电。有益效果：有效接收引导装置发送的定位信号，且具有可检测距离远，在复杂水面环境下定位方式精确易控的优点。船坞能够固定在岸边并能够跟随水位变化而上下浮动，且支持高可靠性的无线充电模式。
Description
技术领域
本发明属于无人船领域，尤其涉及一种无人巡航船自动安全无线充电系统。
背景技术
面向水产养殖监测的无人巡航船控制系统功能不断丰富，系统功耗也就随之增大，无人巡航船在运行一段时间之后需要拿到岸上进行充电；目前绝大多数的自动回充路径引导和定位的方法都是针对室内智能设备所做的研究和开发。如果将这些方案用于户外水上无人巡航船，由于工作环境的巨大改变，这些技术显然已经难以满足要求；当前浮动式水上船坞主要用来实现大型船只的货物补给、水上作业平台的搭建等，并且无人巡航船充电时接触式触点易进水短路、易生锈腐蚀。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供了一种无人巡航船自动安全无线充电系统，具体由以下技术方案实现：
所述无人巡航船自动安全无线充电系统，包括
船坞，包括两倾斜设置的平行导轨、漂浮传感器、叉状连接座、T形连接座、船坞壳、连杆、引导装置以及滑动单元，漂浮传感器通过叉状连接座设置于平行导轨间并可沿平行导轨滑动，漂浮传感器包括挡光片、两个光传感器、浮动体以及槽状连接座，所述挡光片穿套在槽状连接座内的平行导轨上，浮动体与挡光片相连，两个光传感器分别设于槽状连接座的两相对内壁上，所述船坞壳通过两所述连杆分别与叉状连接座对应连接，所述滑动单元相对于平行导轨上端的一端通过一对所述T形连接座可滑动地设置在平行导轨上，另一端与槽状连接座固接带动漂浮传感器滑动；所述引导装置设于船坞壳的周侧并发出信号；船坞壳内设有线圈，船坞通过线圈输出无线充电电压；
无人巡航船，设有用于捕获所述信号的视觉装置；
无线充电电路，接收所述无线充电电压，将无线充电电压转换成无人巡航船稳定供电电压或锂电池稳定充电电压；并在无人巡航船的锂电池充电时，由锂电池供电切换到无线充电船坞供电。
所述无人巡航船自动安全无线充电系统的进一步设计在于，所述引导装置包括不同颜色的LED灯，所述LED按特定排列方式形成圆柱形结构。
所述无人巡航船自动安全无线充电系统的进一步设计在于，所述视觉装置为摄像头。
所述无人巡航船自动安全无线充电系统的进一步设计在于，LED灯组成的圆柱形结构在每20度构成的1/18柱面上布置LED；LED有四种颜色，分为红色、蓝色、黄色以及白色。
所述无人巡航船自动安全无线充电系统的进一步设计在于，所述连杆上还设有锁推装置，所述锁推装置包括舵机与两端分别设有推脚与锁脚的驱动杆，所述舵机的输出轴连接于驱动杆的中部。
所述无人巡航船自动安全无线充电系统的进一步设计在于，所述船坞壳为半封闭的罩体；罩体的顶部呈棱台状，顶部上设有用于穿过推脚的第一槽口，罩体的一侧设有用于穿过锁脚的第二槽口。
所述无人巡航船自动安全无线充电系统的进一步设计在于，所述滑动单元包括步进电机与两驱动轮，所述步进电机的一端与槽状连接座的一端面固接，另一端通过T形连接座滑动地设置于平行导轨上，所述两驱动轮分别对应地设置于两平行导轨上，并由步进电机的输出轴驱动转动。
所述无人巡航船自动安全无线充电系统的进一步设计在于，所述叉状连接座由卡箍部与凹形连接部连接组成，所述卡箍部上设有用于穿接所述平行导轨的通孔，卡箍部的接口设有用于穿接调节螺栓的螺孔，所述连接部上设有用于穿接所述连杆连接端的安装孔。
所述无人巡航船自动安全无线充电系统的进一步设计在于，所述T形连接座的凸起部为设有用于穿接所述平行导轨的通孔的卡箍体，卡箍体的接口设有用于穿接调节螺栓的螺孔，T形连接座的肩部设有安装孔。
所述无人巡航船自动安全无线充电系统的进一步设计在于，所述两平行导轨为两根平设置的圆管。
本发明的优点如下：
本发明的无人巡航船自动安全无线充电系统能使无人巡航船在户外能有效接收引导装置发送的定位信号，且具有可检测距离远，在复杂水面环境下定位方式精确易控的优点。无线充电船坞能够固定在岸边并能够跟随水位变化而上下浮动，且带有无线充电功能的智能船坞可靠性、灵敏度更高。
智能化程度高，无人巡航船电量不足时，系统就会指引无人巡航船驶向无线充电船坞进行充电，实现了无人巡航船供电电压在锂电池和无线充电船坞之间的自动切换，实现了锂电池充电和放电的自动切换。
安全性高，系统关键电源输出端均设计有电流倒灌保护电路，电源导通开关均使用MOS管设计，负载功率更大，无线充电模块设计有过充保护电路和电流过载保护功能，确保了充电过程中锂电池以及整个系统的安全。
附图说明
图1为本发明无人巡航船自动安全无线充电系统的结构框图。
图2为本发明无人巡航船自动安全无线充电系统的工作场景示意图。
图3为无人巡航船处理器编写图像检测和信息处理数据程序流程图。
图4是根据上述表格中建立的每个1/18平面的模型图。
图5为智能船坞装置的结构示意图。
图6为滑动单元与漂浮传感器的结构示意图。
图7为槽状连接座的结构示意图。
图8为船坞壳的结构示意图。
图9为锁推装置推状态的示意图。
图10为锁推装置锁状态的示意图。
具体实施方式
结合具体实施例与附图对本发明的技术方案进一步说明。
本实施例的无人巡航船自动安全无线充电系统，主要由船坞、无人巡航船以及无线充电电路组成。船坞如图5所示，主要由两倾斜设置的平行导轨1、漂浮传感器3、叉状连接座7、T形连接座6、船坞壳4、引导装置、连杆41以及滑动单元2组成。漂浮传感器3通过叉状连接座7设置于平行导轨1间并可沿平行导轨滑动。漂浮传感器3包括挡光片31、两个光传感器34、浮动体32以及槽状连接座33。本实施例的浮动体32为浮球。挡光片32穿套在槽状连接座33内的平行导轨1上。浮动体32与挡光片31相连，挡光片31通过两边的滑动环套在平行导轨1上。浮动体32浮在水面上，通过水平面高低变化，推动套在平行导轨1上的挡光片31沿着平行导轨1上下移动。两个光传感器34分别设于槽状连接座33的两相对内壁上，参见图7。船坞壳4通过两连杆41分别与叉状连接座7对应连接。滑动单元2相对于平行导轨1的上端一端通过一对T形连接座6可滑动地设置在平行导轨1上，另一端与槽状连接座33固接以带动漂浮传感器滑动。引导装置设于船坞壳的周侧并发出信号；船坞壳4内设有线圈42，船坞通过线圈输出无线充电电压。无人巡航船，设有用于捕获所述信号的视觉装置。无线充电电路，接收所述无线充电电压，将无线充电电压转换成无人巡航船稳定供电电压或锂电池稳定充电电压；并在无人巡航船的锂电池充电时，由锂电池供电切换到无线充电船坞供电。
如图4，引导装置包括不同颜色的LED灯，所述LED按特定排列方式形成圆柱形结构。LED灯组成的圆柱形结构在每20度构成的1/18柱面上布置LED；LED有四种颜色，分为红色、蓝色、黄色以及白色。
本实施例的视觉装置为摄像头，在摄像头检测到LED后，检测到船坞相对与无人巡航的方位角信息。
LED的布置方式具体为：在每20度为一份的1/18柱面上从上往下以1cm为间隔总共布置20个LED灯，首先从上往下先布置4个白色LED再按照如下表格给出的方式在对应柱面上(已选定任意1/18作为0-20角度值对应面，后按顺时针或逆时针方式依次增加)布置相应颜色和数量的LED：
表1
按照上面表格所给方式布置后，每个1/18柱面上再布置剩余数量的白色LED，直至总的LED数量为20个。
基于上述表1给出的排列方式组合，在圆柱的整个一周上任意选取两个对应角度以上的连续柱面，则该连续柱面会因不同颜色和数量的LED标记成在整个圆周上可被唯一识别和确定的连续柱面。该可被唯一标记的圆柱面即作为确定无人巡航船当前方位的信息数据。
当户外无人巡航船上安置的摄像头探测到由LED组成的引导装置时，摄像头检测到的图像信息数据可被微控制器接收，微处理器根据所述图像信息数据执行图像定位检测程序。
图像信息数据包括了至少连续三个1/18柱面上的LED的颜色及该颜色从上至下延伸的长度，颜色延伸长度由对应颜色LED的数量确定。
将圆柱面展开成一矩形，并认为摄像头可同时检测到1/18个圆柱面，则摄像头的图像中包含以下表2中任意三个相邻(包含首尾)的LED。
表2
上述图像定位检测程序首先从摄像头传回的图像中提取出颜色和颜色长度，根据此颜色和颜色长度与事先在计算机内存中存储的颜色长度对应角度表进行匹配查找。颜色长度对应角度表的建立与上述LED布置时的角度规定相一致，建立如下的对应查找表：
表3
| 图像 | 赋值角度(度) |
| 蓝12红4黄12 | 360(0) |
| 红4黄12蓝8 | 20 |
| 黄12蓝8红4 | 40 |
| 蓝8红4黄8 | 60 |
| 红4黄8蓝12 | 80 |
| 黄8蓝12红12 | 100 |
| 蓝12红12黄4 | 120 |
| 红12黄4蓝8 | 140 |
| 黄4蓝8红12 | 160 |
| 蓝8红12黄8 | 180 |
| 红12黄8蓝4 | 200 |
| 黄8蓝4红8 | 220 |
| 蓝4红8黄12 | 240 |
| 红8黄12蓝4 | 260 |
| 黄12蓝4红8 | 280 |
| 蓝4红8黄4 | 300 |
| 红8黄4蓝12 | 320 |
| 黄4蓝12红4 | 340 |
根据表3即可确定当前无人巡航船相对于由LED组成的圆柱体所在的方位角信息。
本实施例的无线充电船坞采用芯片控制，自动识别无人巡航船，捕获和固定无人巡航船。无线充电发射线圈发射无线充电电能。无线充电模块，转换电流和电压，内设有过充保护电路、过流保护电路以及电源切换电路，确保了电池的充电安全。无线充电接收线圈接收效率高，电流电压转换后输出到欠压保护电路输入端。
欠压保护电路，使用STM8芯片作为控制芯片，拥有体积小，速度快的优点，使用P沟道增强型MOS管作为导通开关，导通电流大，电压压降几乎可以忽略不计。
降压与稳压电路采用AS1015芯片，转换功率大，转换效率高，精准性强，设计有电流倒灌保护电路，确保了系统的安全。
电源切换电路，能够自动切换无人巡航船的供电电压，能够在锂电池充电时断开锂电池与无人巡航船的连接，停止使用锂电池为无人巡航船供电。电源的输入端都设计有电流倒灌保护电路，确保系统电源的安全。
如图6，滑动单元2主要由步进电机21与两驱动轮22组成。步进电机21的一端与槽状连接座33的一端面固接，另一端通过T形连接座6滑动地设置于平行导轨1上。两驱动轮22分别对应地设置于两平行导轨1上，并由步进电机21的输出轴驱动转动。
当无人巡航船浮在水面时，两个光学传感器探头34(探头T1位于下方、探头T2位于上方)都能检测到挡光片，即T1＝1&&T2＝1,此时步进电机处于停止状态。水位下落时，浮球下降，带动挡光片下降，此时传感器探头T1检测到挡光片，而T2检测不到挡光片，即T1＝1，T2＝0，步进电机正转，向下行驶，带动整个装置下降。水位上升时，浮球上升，带动挡光片上升，此时传感器探头T1检测不到挡光片，而T2检测到挡光片，即T1＝0，T2＝1，步进电机反转，向上行驶，带动整个装置上升。
本实施例的两平行导轨为两根平设置的圆管。每根圆管长1m，外半径为15mm,内半径为10mm。两根轨道圆管在同一平面，相距40cm平行对齐。通过轨道管两端的连接基座可以将轨道管铺放在池塘或河道的斜坡边缘。两个平行轨道管作为轨道，使船坞仅能沿着轨道方的向上进行滑动。
进一步的，叉状连接座7由卡箍部与凹形连接部连接组成。卡箍部上设有用于穿接圆管的圆孔，卡箍部的接口设有用于穿接调节螺栓的螺孔，连接部上设有用于穿接连杆连接端的安装孔。
T形连接座6的凸起部为设有用于穿接圆管的圆孔61的卡箍体。卡箍体的接口设有用于穿接调节螺栓的螺孔，T形连接座的肩部设有安装孔62。
连杆41上还设有锁推装置5，锁推装置5主要由舵机51与两端分别设有推脚53与锁脚54的弧形驱动杆52组成，舵机51的输出轴连接于驱动杆52的中部，呈E字形。
本实施例的船坞壳为半封闭的罩体，罩体内设有用于无线充电的线圈42。
罩体的顶部呈棱台状，顶部上设有用于穿过推脚53的第一槽口43，罩体的一侧设有用于穿过锁脚的第二槽口42。如图9，当船坞内的无人船通过线圈完成无线充电后，推脚53在舵机51的驱动下穿过第一槽口43。如图10，在船务将无人船引导至船坞内时，锁脚54在舵机51的驱动反转下穿过第二槽口42，使得无人船与船坞保持相对静止，以提高无线充电的效率。
本实施例的浮动式船坞针对水上无人船系统，待机时间短，水上停靠困难等问题进行设计，利用船只自动捕获装置实现船只停靠后锁定，防止船只在待机时出现漂浮不定问题，同时利用无线充电功能对船体能量进行补充，大大增强了船只的续航能力，同时解决了水上船只充电时接触式触点易进水短路、易生锈腐蚀等问题。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种无人巡航船自动安全无线充电系统，其特征在于，包括
船坞，包括两倾斜设置的平行导轨、漂浮传感器、叉状连接座、T形连接座、船坞壳、连杆、引导装置以及滑动单元，漂浮传感器通过叉状连接座设置于平行导轨间并可沿平行导轨滑动，漂浮传感器包括挡光片、两个光传感器、浮动体以及槽状连接座，所述挡光片穿套在槽状连接座内的平行导轨上，浮动体与挡光片相连，两个光传感器分别设于槽状连接座的两相对内壁上，所述船坞壳通过两所述连杆分别与叉状连接座对应连接，所述滑动单元相对于平行导轨上端的一端通过一对所述T形连接座可滑动地设置在平行导轨上，另一端与槽状连接座固接带动漂浮传感器滑动；所述引导装置设于船坞壳的周侧并发出信号；船坞壳内设有线圈，船坞通过线圈输出无线充电电压；
无人巡航船，设有用于捕获所述信号的视觉装置；
无线充电电路，接收所述无线充电电压，将无线充电电压转换成无人巡航船稳定供电电压或锂电池稳定充电电压；并在无人巡航船的锂电池充电时，由锂电池供电切换到无线充电船坞供电。
2.根据权利要求1所述的无人巡航船自动安全无线充电系统，其特征在于，所述引导装置包括不同颜色的LED灯，所述LED灯按特定排列方式形成圆柱形结构。
3.根据权利要求2所述的无人巡航船自动安全无线充电系统，其特征在于，所述视觉装置为摄像头。
4.根据权利要求2所述的无人巡航船自动安全无线充电系统，其特征在于，LED灯组成的圆柱形结构在每20度构成的1/18柱面上布置LED灯；LED灯有四种颜色，分为红色、蓝色、黄色以及白色。
5.根据权利要求1所述的无人巡航船自动安全无线充电系统，其特征在于所述连杆上还设有锁推装置，所述锁推装置包括舵机与两端分别设有推脚与锁脚的驱动杆，所述舵机的输出轴连接于驱动杆的中部。
6.根据权利要求5所述的无人巡航船自动安全无线充电系统，其特征在于所述船坞壳为半封闭的罩体；罩体的顶部呈棱台状，顶部上设有用于穿过推脚的第一槽口，罩体的一侧设有用于穿过锁脚的第二槽口。
7.根据权利要求1所述的无人巡航船自动安全无线充电系统，其特征在于所述滑动单元包括步进电机与两驱动轮，所述步进电机的一端与槽状连接座的一端面固接，另一端通过T形连接座滑动地设置于平行导轨上，所述两驱动轮分别对应地设置于两平行导轨上，并由步进电机的输出轴驱动转动。
8.根据权利要求1所述的无人巡航船自动安全无线充电系统，其特征在于所述叉状连接座由卡箍部与凹形连接部连接组成，所述卡箍部上设有用于穿接所述平行导轨的通孔，卡箍部的接口设有用于穿接调节螺栓的螺孔，所述连接部上设有用于穿接所述连杆连接端的安装孔。
9.根据权利要求1所述的无人巡航船自动安全无线充电系统,其特征在于所述T形连接座的凸起部为设有用于穿接所述平行导轨的通孔的卡箍体，卡箍体的接口设有用于穿接调节螺栓的螺孔，T形连接座的肩部设有安装孔。
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